鉄系超伝導体で世界最高レベルの超伝導電流を流すことに名大などが成功

名古屋大学(名大)、東京農工大学(農工大)、九州大学(九大)、科学技術振興機構(JST)の4者は10月22日、鉄系高温超伝導体のうち、実用化が期待されている「(Ba,K)Fe₂As₂」で、数Tという比較的大きな磁場中において世界最高レベルの超伝導電流を流すことに成功したと発表した。

同成果は、名大大学院工学研究科の飯田和昌准教授、同・畑野敬史助教は、米国立強磁場研究所のタランティーニ・キアラ博士、農工大の秦東益大学院生、同・内藤方夫シニアプロフェッサー、同・山本明保准教授、九大の郭子萌大学院生、同・高紅叶博士研究員、同・王超博士研究員、同・斉藤光准教授、同・波多聰教授らの研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の材料科学を扱う学術誌「NPG Asia Materials」に掲載された。

2008年に発見された鉄系高温超伝導体は、55K(-218℃)と銅酸化物高温超伝導体に次いで超伝導転移温度が高く、応用の観点から第2鉱脈として大きく期待されている。特に、数Tという大きな磁場中でも、損失のない超伝導電流を流すことができることから、強力な磁場を発生させることができる超伝導磁石への応用が期待されているという。

しかし、鉄系高温超伝導体は銅酸化物高温超伝導体ほど深刻ではないが、結晶粒界で「粒界弱結合」と呼ばれる問題を有している。ただし、この問題は結晶粒を一定方向に並べることで回避することが可能だという。

外部磁界を印加すると、量子化された磁束が超伝導体内に侵入。この状態で電流を流すと磁束量子にはローレンツ力が働く (出所:共同プレスリリースPDF)

研究チームが今回着目した(Ba,K)Fe₂As₂は、BaサイトをKで部分置換を行うと超伝導が発現し、その最高転移温度は約38K(-235℃)という鉄系超伝導体として知られている。研究では、厚さ100nm程度の(Ba,K)Fe₂As₂薄膜が作製され、薄膜を成長させる下地(基板)には酸素を含まず、かつ(Ba,K)Fe₂As₂と格子不整合度が小さいフッ化カルシウム(CaF₂)が用いられた。

(上)作製された(Ba,K)Fe₂As₂薄膜の模式図。結晶粒界がピンニングセンターとして働き、ローレンツ力による磁束量子の運動を妨げる。(下)(Ba,K)Fe₂As₂薄膜断面の明視野走査型透過電子顕微鏡像。幅30～60nmの柱状結晶粒がCaF₂基板からほぼ垂直に成長している様子がわかる (出所:共同プレスリリースPDF)

成長温度は(Ba,K)Fe₂As₂の融点(～1000℃)の半分以下にされ、揮発性の高いKも効率良く膜中に取り込まれ、組成ずれの少ない(Ba,K)Fe₂As₂薄膜が形成され、成長温度の低温化により結晶粒は微細化された結果、小傾角粒界の密度が高くなったという。また(Ba,K)Fe₂As₂薄膜の微細構造においては、柱状結晶粒がCaF₂基板にほぼ垂直な方向に成長し、互いにわずかな方位差を持って薄膜を構成しているという。

作製された(Ba,K)Fe₂As₂薄膜の磁束ピンニング力密度の外部磁場依存性。今回作製された薄膜試料は、単結晶試料(鉛イオン照射なし)に比べてピンニング力密度が高く、高磁場領域では約10倍にもなる。鉛イオン照射された単結晶試料と比べても、4T以下で高いピンニング力密度が得られているとした (出所:共同プレスリリースPDF)